RU2039362C1

RU2039362C1 - Device for measuring phase shift of signals with known ratio of their amplitudes

Info

Publication number: RU2039362C1
Application number: RU93049291A
Authority: RU
Inventors: Борис Георгиевич Келехсаев
Original assignee: Борис Георгиевич Келехсаев
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1995-07-09

Abstract

FIELD: measurement technology; measurement of phase shift of two sine-wave signals; primary in infralow-frequency band for calibrating measuring channels and processing recorded signals varying in comprehensive dynamic range. SUBSTANCE: device has divider unit 1, control pulse shaper 2, differentiating unit 3, trigonometric transformer 4, storage-retrieval unit 5, first and second input buses, output bus with relevant connections. EFFECT: improved design. 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике в частности к устройствам для измерения фазовых сдвигов двух синусоидальных сигналов, и может быть использовано преимущественно в инфранизко- частотном диапазоне при калибровке измерительных каналов и обработке регистрируемых сигналов, изменяющихся в большом динамическом диапазоне. The invention relates to measuring technique, in particular, to devices for measuring phase shifts of two sinusoidal signals, and can be used mainly in the infra-low-frequency range when calibrating measuring channels and processing recorded signals that vary in a large dynamic range.

К устройству предъявляют требования обеспечения высокой точности измерения фазовых сдвигов от Π/2 до +Π /2 для сигналов с известным отношением их амплитуд при высоком быстродействии и простоте конструкции. The device is required to ensure high accuracy in measuring phase shifts from Π / 2 to + Π / 2 for signals with a known ratio of their amplitudes at high speed and simplicity of design.

Известно простое устройство определения сдвига фаз [1] содержащее перемножитель этих исследуемых сигналов и устройство, выделяющее постоянную составляющую полученного от перемножения сигналов. Величина напряжения этой постоянной составляющей пропорциональна абсолютному значению фазового сдвига. A simple device for determining the phase shift [1] containing a multiplier of these studied signals and a device that emits a constant component obtained from the multiplication of signals is known. The voltage value of this constant component is proportional to the absolute value of the phase shift.

Устройство характеризуется низким быстродействием, незначительной точностью определения фазовых сдвигов, особенно в инфранизкочастной области из-за необходимости выделять постоянную составляющую с высокой точностью, полученную от перемножения сигналов. The device is characterized by low speed, low accuracy of determining phase shifts, especially in the infra-low-frequency region due to the need to isolate the DC component with high accuracy obtained from the multiplication of signals.

Более сложные устройства позволяют повысить точность. В [2] рассмотрено устройство для измерения фазового сдвига между двумя напряжениями, содержащее два ключевых детектора и общий вспомогательный гетеродин-генератор синуса с частотой, близкой к частоте в кратное число раз большей частоты измеряемых колебаний, а также преобразователи синуса в остроконечные импульсы, и фильтры нижних частот с соответствующими связями. More sophisticated devices can improve accuracy. In [2], a device for measuring the phase shift between two voltages was considered, which contains two key detectors and a common auxiliary sine heterodyne generator with a frequency close to that of a factor many times the frequency of the measured oscillations, as well as sinus to pointed pulse converters, and filters low frequencies with corresponding links.

Такое устройство обладает низким быстродействием, измеряет вместо искомого значения разности фаз другие значения разности фаз, при этом требуется измерять также и отношение частот, что снижает точность измерений. Such a device has a low speed, it measures other values of the phase difference instead of the desired phase difference, and it is also necessary to measure the frequency ratio, which reduces the accuracy of the measurements.

В [3] предложено устройство для измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов, содержащее модулятор, генератор несущей частоты, фильтр низкой частоты, регистратор, демодулятор, множительное уcтройcтво, которое имеет преимущеcтво перед [2] однако оно является невысоким по точности, так как использует много промежуточных действий модуляцию, демодуляцию, перемножение. Устройство обладает низким быстродействием. In [3], a device was proposed for measuring the phase shift of two sinusoidal signals, which contains a modulator, a carrier frequency generator, a low-pass filter, a registrar, a demodulator, a multiplier device, which has an advantage over [2] but it is low in accuracy because it uses a lot of intermediate actions modulation, demodulation, multiplication. The device has a low speed.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных технических признаков является устройство [4] содержащее фильтрующие устройства, отделяющие синусоидальные сигналы от постоянной составляющей, фазосдвигающие блоки, которые сдвигают оба сигнала на угол Π/2 в сторону опережения, и аналоговый запоминающий блок с устройствами выборки и хранения, который измеряет и запоминает четыре мгновенных сигнала в одно и тоже время (два после фильтра и два после фазосдвигающих блоков), а разность фаз F_o определяют с помощью решающего блока, который реализует математическую зависимость F_o=signU11[arccosU12/

] signU21[arccosU22/

]
Как видно из этого выражения, устройство содержит функциональные преобразователи, содержащие сумматоры, квадраторы и блоки для извлечения квадратного корня, последовательно соединенные блок деления, тригонометрический преобразователь и управляемый инвертор, подключенный к выходу устройства.The closest technical solution to the claimed one for a larger number of similar technical features is a device [4] containing filtering devices that separate sinusoidal signals from a constant component, phase-shifting units that shift both signals by an angle of Π / 2 in the advance direction, and an analog storage unit with devices sampling and storage, which measures and stores four instantaneous signal at the same time (two and two after the filter after the phase-shifting units), and the phase difference F _o determined pom schyu deciding unit which implements the mathematical relationship F _o = signU11 [arccosU12 /

] signU21 [arccosU22 /

]
As can be seen from this expression, the device contains functional converters containing adders, quadrants and blocks for extracting the square root, series-connected division block, trigonometric converter and a controlled inverter connected to the output of the device.

Устройство обладает высоким быстродействием, но довольно сложное, погрешность измерения велика, особенно в области инфранизких частот из-за наличия составляющих погрешностей от дополнительных фазовых сдвигов и необходимости измерений значений корня квадратного из суммы квадратов двух величин. The device has high speed, but rather complicated, the measurement error is large, especially in the area of infra-low frequencies due to the presence of component errors from additional phase shifts and the need to measure the values of the square root of the sum of the squares of two quantities.

Целью изобретения является повышение точности измерений при упрощении конструкции. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements while simplifying the design.

Цель в устройстве для измерения сдвига фаз сигналов с известным отношением их амплитуд, содержащем блок деления, тригонометрический преобразователь, блок выборки-хранения, достигается тем, что в него дополнительно введены формирователь управляющих импульсов и блок дифференцирования, причем два входа блока деления первый для сигнала-делимого, второй для сигнала-делителя, подключены к первому и второму входам устройства соответственно, последовательно с блоком деления соединены блок дифферен- цирования, тригонометрический преобразователь и блок выборки-хранения, выход которого является выходом устройства, второй вход устройства соединен с входом формирователя управляющих импульсов, выход которого подключен к второму, управляющему входу блока выборки-хранения. The purpose of the device for measuring the phase shift of signals with a known ratio of their amplitudes, containing a division unit, a trigonometric converter, a sampling-storage unit, is achieved by the addition of a control pulse generator and a differentiation unit, the two inputs of the division unit being the first for the signal dividend, the second for the divider signal, connected to the first and second inputs of the device, respectively, differentiation unit, trigonometric conversion are connected in series with the division unit spruce and sample and hold unit, whose output is the output device, the second input device is connected to the input of the control pulses, the output of which is connected to the second, control input of the sample-and-hold unit.

Определение фазового сдвига производят между двумя синусоидальными сигналами:
X(t) A1 sin (wt + F1) (1)
Y(t) A2 sin (wt + F2) (2)
Запишем отношение этих сигналов через функцию f(t)
f(t) A1 sin (wt + F1)/A2 sin (wt + F2)
Преобразуем это выражение, используя формулу для синуса суммы двух углов и, обозначим К=А1/А2
f(t) K (sin wt cos F1 + sin F1 cos wt)/(sin
wt cos F2 + sin F2 cos wt) (3)
Поделив числитель и знаменатель (3) на coswt ≠ 0, получим
f(t) K (tg wt cos F1 + sin F1)/(tg wt cos
F2 + sin F2) (4)
Для определения разности фаз F_o между сигналами X(t) и Y(t) примем значение начального фазового сдвига F2=0 при F1>F2, тогда выражение (4) перепишем в виде
f(t) K [cos F_o + (sin F_o/tg wt)] (5)
Разделив числитель и знаменатель в (5) на К, получим
f(t)/K cos F_o + (sin F_o/tg wt) (6)
Рассмотрим выражение (6) в момент времени t1, когда значение wt1 соответствует моменту времени, равному четверти периода исследуемых колебаний Т/4, где T/4= Π/2. В этом случае второе слагаемое обращается в ноль, а сигнал Y(t) делитель в функции f(t) достигает своего экстремума, следовательно
f(t1)/K cos F_o (7)
Продифференцируем выражение (7) и получим
f' (t1)/K sin F_o (8)
Из выражения (8) получим для F_o
F_o arcsin [f' (t1)/K] (9)
Выражение (9) было получено для синфазных сигналов, разность фаз между, которыми лежит в пределах 0 ≅|F_o|≅ Π/2, причем сигнал делимое X(t) опережает при f' (t1) < 0 или отстает при f' (t1) > 0 по фазе от сигнала-делителя Y(t).Determination of the phase shift is made between two sinusoidal signals:
X (t) A1 sin (wt + F1) (1)
Y (t) A2 sin (wt + F2) (2)
We write the ratio of these signals through the function f (t)
f (t) A1 sin (wt + F1) / A2 sin (wt + F2)
We transform this expression using the formula for the sine of the sum of two angles and denote K = A1 / A2
f (t) K (sin wt cos F1 + sin F1 cos wt) / (sin
wt cos F2 + sin F2 cos wt) (3)
Dividing the numerator and denominator (3) by coswt ≠ 0, we obtain
f (t) K (tg wt cos F1 + sin F1) / (tg wt cos
F2 + sin F2) (4)
To determine the phase difference F _o between the signals X (t) and Y (t), we take the value of the initial phase shift F2 = 0 for F1> F2, then we rewrite expression (4) in the form
f (t) K [cos F _o + (sin F _o / tg wt)] (5)
Dividing the numerator and denominator in (5) by K, we obtain
f (t) / K cos F _o + (sin F _o / tg wt) (6)
Consider expression (6) at time t1, when the value wt1 corresponds to a time equal to a quarter of the period of the studied oscillations T / 4, where T / 4 = Π / 2. In this case, the second term vanishes, and the signal Y (t) divider in the function f (t) reaches its extremum, therefore
f (t1) / K cos F _o (7)
We differentiate expression (7) and obtain
f '(t1) / K sin F _o (8)
From the expression (8) we obtain for F _o
F _o arcsin [f '(t1) / K] (9)
Expression (9) was obtained for in-phase signals, the phase difference between which lies within 0 ≅ | F _o | ≅ Π / 2, and the signal divisible by X (t) is ahead at f '(t1) <0 or behind at f'(t1)> 0 in phase from the divider signal Y (t).

Для противофазных сигналов, для которых Π/2< F_o ≅Π уравнение для F_o будет иметь вид:
F_o Π + arcsin [f' (t1)/K] (10)
Это выражение справедливо для f (t1), когда сигнал-делимое X(t) опережает по фазе сигнал-делитель Y(t).For antiphase signals for which Π / 2 <F _o ≅Π the equation for F _o will look like:
F _o Π + arcsin [f '(t1) / K] (10)
This expression is valid for f (t1), when the signal-divisible X (t) is ahead in phase of the signal-divider Y (t).

Аналогичные измерения могут быть проведены, когда сигнал-делитель Y(t) опережает по фазе сигнал-делимое X(t). Т.е. для отрицательного значения фазового сдвига, когда f' (t1) > 0 будем иметь аналогично выражению (10) для сдвигов фаз Π ≅F_o < Π/2:
F_o Π + arcsin [f' (t1)/K] (11)
Это выражение справедливо для f' (t1)>0, когда сигнал-делимое отстает по фазе от сигнала-делителя.Similar measurements can be made when the signal divider Y (t) is ahead in phase of the signal divisible X (t). Those. for a negative value of the phase shift, when f '(t1)> 0, we will have similarly to expression (10) for the phase shifts Π ≅F _o <Π / 2:
F _o Π + arcsin [f '(t1) / K] (11)
This expression is valid for f '(t1)> 0, when the divisible signal lags behind the divisor signal.

Все полученные зависимости для сдвигов фаз -Π≅F_o≅Π в уравнениях (8)-(11) можно записать общим выражением:
F_o m (Π n arcsin [f' (t1)/K]), (12)
где m=1; n=0 для синфазных сигналов, 0 ≅|F_o|≅Π/2.All the obtained dependences for the phase shifts -Π≅F _o ≅Π in equations (8) - (11) can be written by the general expression:
F _o m (Π n arcsin [f '(t1) / K]), (12)
where m = 1; n = 0 for common-mode signals, 0 ≅ | F _o | ≅Π / 2.

m= -1; n=1 при f' (t1) > 0 или n=-1 при f (t1) < 0для противофазных сигналов, Π/2 <F_o| ≅Π
Предлагаемое устройство реализует выражение (9), т.е. для фазовых сдвигов с величинами от Π/2 до + Π/2.m is -1; n = 1 for f '(t1)> 0 or n = -1 for f (t1) <0 for antiphase signals, Π / 2 <F _o | ≅Π
The proposed device implements the expression (9), i.e. for phase shifts with values from Π / 2 to + Π / 2.

На фиг. 1 и 2 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы его работы. In FIG. 1 and 2 shows a functional diagram of a device; in FIG. 2 timelines of his work.

Устройство содержит блок 1 деления; формирователь 2 управляющих импульсов; блок 3 дифференцирования; тригонометрический преобразователь 4; блок 5 выборки-хранения. The device comprises a division unit 1; shaper 2 control pulses; differentiation unit 3; trigonometric transducer 4; block 5 retrieval-storage.

Блоки соединены следующим образом. Первый вход устройства сигнала-делимого соединен с первым входом блока 1 деления. Второй вход устройства сигнал-делителя соединен с входом формирователя 2 управляющих импульсов и вторым входом блока 1 деления. Выход блока 1 деления соединен со входом блока 3 дифференцирования. Выход блока 3 дифференцирования соединен с входом тригонометрического преобразователя 4, выход которого подключен к информационному входу блока 5 выборки-хранения, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя 2 управляющих импульсов. Выход блока 5 выборки-хранения является выходом устройства. The blocks are connected as follows. The first input of the divisible signal device is connected to the first input of the division unit 1. The second input of the signal divider device is connected to the input of the driver 2 of the control pulses and the second input of the division unit 1. The output of the division unit 1 is connected to the input of the differentiation unit 3. The output of the differentiation unit 3 is connected to the input of the trigonometric converter 4, the output of which is connected to the information input of the sample-storage unit 5, the control input of which is connected to the output of the driver 2 of the control pulses. The output of the sample-storage unit 5 is the output of the device.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Для отфильтрованных исследуемых сигналов синусоидальной формы одинаковой частоты, например, напряжение Ux(t), является сигналом-делимым, а сигнал напряжения Uy(t) является сигналом-делителя, отношение амплитуд которых равно К. Тогда входной сигнал напряжения Ux(t) поступает на первый вход блока 1 деления, а входной сигнал напряжения Uy(t) поступает на вход формирователя 2 управляющих импульсов и второй вход блока 1 деления. На выходе блока 1 деления получают напряжения U1 сигнала-частного, равного U1=f(t)=Ux(t)/Uy(t). Это напряжение U1 поступает на вход блока 3 дифференцирования, имеющего коэффициент передачи К3, равный К3=1/K, на выходе которого получают сигнал напряжения U3, пропорционального производной функции f(t), т.е. U3=f' (t)/K= (U' 1)/K. Знак напряжения U3 определяется знаком производной функции f(t), т. е. определяется тем, которое из напряжений сигнала-делимого или сигнала-делителя опережает по фазе другой сигнал. For filtered studied signals of a sinusoidal shape of the same frequency, for example, the voltage Ux (t) is a divisible signal, and the voltage signal Uy (t) is a divider signal, the amplitude ratio of which is K. Then the input voltage signal Ux (t) is fed to the first input of the division unit 1, and the input voltage signal Uy (t) is fed to the input of the driver 2 of the control pulses and the second input of the division unit 1. At the output of the division unit 1, the voltage U1 of the signal-private equal to U1 = f (t) = Ux (t) / Uy (t) is obtained. This voltage U1 is supplied to the input of the differentiation unit 3 having a transmission coefficient K3 equal to K3 = 1 / K, the output of which receives a voltage signal U3 proportional to the derivative of the function f (t), i.e. U3 = f '(t) / K = (U' 1) / K. The sign of the voltage U3 is determined by the sign of the derivative of the function f (t), i.e., it is determined by the one that, out of the voltages of the divisible signal or divisor signal, outstrips the other signal in phase.

Напряжение U3 поступает на вход тригонометрического преобразователя 4, на выходе которого получают сигнал напряжения U4, равного U4=arc sin U3=arcsin[f' (t)/K] Это напряжение U4 поступает на вход блока 5 выборки-хранения, коэффициент передачи которого равен -1, а режим работы устанавливается при помощи логических сигналов "0", "1" напряжения U2, поступающего на его управляющий вход с выхода формирователя 2 управляющих импульсов. The voltage U3 is supplied to the input of the trigonometric converter 4, the output of which receives a voltage signal U4 equal to U4 = arc sin U3 = arcsin [f '(t) / K] This voltage U4 is supplied to the input of the sample-storage unit 5, the transmission coefficient of which is equal to -1, and the operating mode is set using the logical signals "0", "1" of the voltage U2 supplied to its control input from the output of the shaper 2 control pulses.

Формирователь 2 управляющих импульсов формирует логические выходные сигналы напряжения U2, которые являются сигналами выборки-хранения, формирование этих импульсов напряжения U2 поясняется диаграммой фиг. 2. Shaper 2 of the control pulses generates logical output signals of voltage U2, which are sampling and storage signals, the formation of these voltage pulses U2 is illustrated by the diagram of FIG. 2.

На выходе блока 5 выборки-хранения в режиме "выборка" отслеживаются сигналы напряжений U4, а в моменты времени t1, когда сигнал-делитель достигает своего экстремума, (середина полуволны сигнала-делителя), блок 5 переходит в режим "хранение", то есть в интервалах времени, соответствующие режиму "хранение", получают напряжение U5, равное U5=-arcsin[f' (t1)/K]F_o.At the output of the sample-storage block 5 in the "sampling" mode, the voltage signals U4 are monitored, and at times t1, when the splitter signal reaches its extremum (the middle of the half-wave of the splitter signal), block 5 goes into the "storage" mode, i.e. in the time intervals corresponding to the storage mode, a voltage U5 equal to U5 = -arcsin [f '(t1) / K] F _{o is} obtained.

При необходимости можно расширить диапазон измеряемых углов в соответствии с выражением (12), добавив блок для определения квадрантов на входе устройства и управляемый сумматор на выходе устройства. If necessary, it is possible to expand the range of measured angles in accordance with expression (12) by adding a block for determining quadrants at the input of the device and a controlled adder at the output of the device.

Предложенное устройство выполнено на стандартных элементах цифровых микросхемах и операционных усилителях. The proposed device is made on standard elements of digital circuits and operational amplifiers.

Блок 1 деления аналогичен блоку деления в [5a] Формирователь 2 управляющих импульсов построен с помощью умножителя частоты на 2, как представлено в [5б] Блок 3 дифференцирования построен на операционном усилителе, как в [5в] В качестве тригонометрического преобразователя 4 можно использовать арксинусный преобразователь, аналогичный преобразователю [6] Блок 5 выборки-хранения построен так же, как и в [5г]
Достоинством предлагаемого устройства является то, что при сохранении высокого быстродействия удается снизить погрешность измерений, так как измерять нужно мгновенное значение всего лишь единственного сигнала, а не четырех, как в прототипе, кроме того, нет необходимости совершать дополнительные фазовые сдвиги, определять значение корня квадратного из суммы квадратов двух величин, как это делается в прототипе.The division block 1 is similar to the division block in [5a] The control pulse generator 2 is constructed using a frequency multiplier by 2, as presented in [5b] The differentiation block 3 is built on an operational amplifier, as in [5c] As a trigonometric converter 4, you can use the sine converter , similar to the converter [6] Block 5 sampling-storage built in the same way as in [5g]
The advantage of the proposed device is that while maintaining high speed, it is possible to reduce the measurement error, since it is necessary to measure the instantaneous value of only a single signal, and not four, as in the prototype, in addition, there is no need to make additional phase shifts, determine the value of the square root of the sum of the squares of two quantities, as is done in the prototype.

Claims

A DEVICE FOR MEASURING PHASE SHIFT OF SIGNALS WITH A KNOWN RELATIONSHIP OF THEIR AMPLITUDES, comprising a division unit, a trigonometric converter, a sampling-storage unit, characterized in that it also includes a control pulse generator and a differentiation unit, the two inputs of the division unit being the first for a divisible signal, the second for the signal divider, connected to the first and second inputs of the device, respectively, in series with the division unit connected to the differentiation unit, trigonometric converter and a sample-storage unit, the output of which is the output of the device, the second output of the device is connected to the input of the control pulse generator, the output of which is connected to the second - control input of the sample-storage unit.